Splendeur et misère de l'effet lotus

175 Pages·2016·13.89 MB·French

by  Mathilde Callies Reyssat

Splendeur et mis`ere de l’effet lotus
Mathilde Callies Reyssat
To cite this version:
Mathilde Callies Reyssat. Splendeur et mis`ere de l’effet lotus. Analyse de donn´ees, Statistiques
et Probabilit´es [physics.data-an]. Universit´e Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2007. Franc¸ais.
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abroad, or from public or private research centers. publics ou priv´es.
The`se de doctorat de l’universite´ Paris VI
Sp´ecialit´e :
Physique des liquides
Pr´esent´ee par
Mathilde CALLIES REYSSAT
pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE PARIS VI
Sujet de la th`ese :
Splendeur et mis`ere de l’effet lotus
Soutenue le 6 Mars 2007
devant le jury compos´e de :
Mme Claudine Biver Examinateur
M. Lyd´eric Bocquet Rapporteur
Mme Anne-Marie Cazabat Examinateur
M. Frieder Mugele Rapporteur
M. Christoph Neinhuis Examinateur
M. David Qu´er´e Directeur de th`ese

La soutenance pass´ee, une page se tourne... je voudrais en profiter pour remercier les diff´erentes
personnes avec lesquelles j’ai eu la chance de travailler et qui m’ont aid´ee de pr`es ou de loin a`
r´ealiser ce travail.
Je voudrais tout d’abord remercier les membres de mon jury. Lyd´eric Bocquet et Frieder Mugele
ont accept´e de rapporter ce travail malgr´e le court d´elai que je leur ai laiss´e entre l’envoi du ma-
nuscrit et la date butoir de la fac... Qu’ils en soient chaleureusement remerci´es. Merci ´egalement `a
Claudine Biver, Anne-Marie Cazabat et Christoph Neinhuis d’avoir accept´e de faire partie de mon
jury. Merci Claudine d’avoir accept´e de venir malgr´e ton r´ecent changement de poste chez Essilor,
Anne-Marie d’avoir pr´esid´e ce jury et Christoph d’avoir fait ce long chemin depuis Dresde pour
assister `a une soutenance en fran¸cais! La diversit´e de vos origines fut pour moi tr`es enrichissante.
Ma profonde reconnaissance revient ensuite tout naturellement `a David Qu´er´e qui m’a encadr´ee
pendant ce travail. Merci David de m’avoir accueillie dans ton ´equipe lorsque j’´etais en DEA et de
m’avoir propos´e ce sujet de th`ese, riche en enjeux et en concurrences. Merci pour les nombreuses
collaborations que tu m’as permis de r´ealiser et les incitations `a pr´esenter mon travail en France
et `a l’´etranger. J’ai beaucoup appris au cours de ma th`ese, tant du point de vue des exp´eriences
simples, des raisonnements en lois d’´echelle que de la mani`ere de pr´esenter de mani`ere attractive
mes r´esultats. Je suis suˆre que tout cela me servira plus tard, merci!
Merci enfin pour les discussions vari´ees que nous avons eues, tant sociologiques, litt´eraires que
gastronomiques. Ces trois ann´ees de th`ese resteront pour moi inoubliables tant d’un point de vue
scientifique que personnel.
J’ai eu la chance d’ˆetre li´ee au cours de ce travail `a diff´erents laboratoires. Ma th`ese a d’abord
d´ebut´e au laboratoire de Physique de la Mati`ere Condens´ee au Coll`ege de France sous la chaire
de Pierre-Gilles de Gennes. Ces deux premi`eres ann´ees de th`ese m’ont permis de d´ecouvrir la re-
cherche dans un petit monde presque familial. Merci `a tous ceux qui ont contribu´e `a cette bonne
entente. Merci `a E´lie Rapha¨el (qui a accept´e de reprendre la direction du laboratoire apr`es Claudine
Williams), Marie-Alice Guedeau-Boudeville (toujours prˆete `a nous d´epanner de mat´eriel qui migrait
in´evitablement de sa salle de manip `a la nˆotre), Raymond Ober (pour ses programmes magiques et
sa lunette monoculaire qu’il m’a gentiment c´ed´ee), Anne-Marie Cazabat (qui a tout d’abord r´eussi `a
me d´ebloquer une bourse de th`ese puis m’a gentiment permis d’utiliser un de ses microscopes chaque
fois que j’en avais besoin), Marie-France Jestin (pour sa gentillesse et son efficacit´e hors-pair),
Christophe Poulard (pour sa maˆıtrise des d´epannages informatiques en tous genres), et tous les
autres membres du labo qui ont particip´e `a cette entente : Ashod Aradian, Damien Baigl, S´ebastien
Besson, Florence Bonamy, H´el`ene Bondil, Lahc`ene Cherfa, Josette Come-Gary, Franc¸oise David,
Georges Debregeas, Geoffroy Gu´ena, Ahmed Hamraoui, Hubert Hervert, Gilles Jandeau, Alexandre
Kabla, Jos´elita Labirin, Marie Lamblet, Liliane L´eger, Maniya Maleki, Alexis Pr´evost, S´ebastien
Saint-Jean, Florent Saulnier, Takahiro Sakaue, Tatania Schmatko, Julien Scheibert, Ludovic Tor-
tech, Yoav Tsori, Laurianne Vagharchakian, Josselin Vasquez, Thomas Vilmin.
Une mention toute particuli`ere revient `a la grande famille des Qu´erettes qui m’a gentiment
adopt´ee et faite reine lorsque le moment fut venu. Pascale Aussillous, la premi`ere reine, soutenait
quasiment `a mon arriv´ee au labo. Merci Pascale pour tes programmes sous Excel et ton accueil dans
ton nouveau chez toi `a Marseille. E´lise Lorenceau, l’autoproclam´ee et Anne-Laure Biance `a laquelle
j’ai succ´ed´e, merci pour votre gentillesse et tout ce que vous m’avez transmis.
N’oublions pas la gent masculine : Fr´ed´eric Restagno qui m’a gentiment suivie pendant mon stage
de DEA, Fr´ed´eric Chevy pour sa l´egendaire modestie, et E´tienne Reyssat qui a tout essay´e pour
devenir Roi des Qu´erettes...
Je salue ´egalement Jos´e Bico, Denis Richard et Aur´elie Lafuma, mes grands fr`eres et soeur en su-
perhydrophobie. J’esp`ere avoir ´et´e une petite sœur `a la hauteur!
Enfin, je souhaite beaucoup de bonheur aux jeunes qui nous succ`edent : Guillaume Lagubeau, Anne
Le Goff, Marie Le Merrer, Vincent Lambert et Jacopo Seiwert. Anne, je te confie la lourde charge
de reine!
Le laboratoire du Coll`ege fermant, notre ´equipe a ensuite ´et´e accueillie au laboratoire de Phy-
sique et M´ecanique des Milieux H´et´erog`enes `a l’ESPCI pour ma derni`ere ann´ee de th`ese. Nous avons
b´en´efici´e d’une belle salle de manip vouˆt´ee dont la fraˆıcheur estivale fuˆt bien appr´eciable. La d´ecou-
verte de ce nouvel environnement, si diff´erent du laboratoire pr´ec´edent de par sa taille, du nombre
de ses chercheurs, de ses th´ematiques de recherche, fuˆt une exp´erience vraiment int´eressante. Merci
`a Jos´e-E´douardo Weisfreid, directeur du laboratoire et `a tous ceux (trop nombreux pour ˆetre cit´es
ici) qui nous ont permis de nous int´egrer sans difficult´e. Un remerciement tout particulier revient `a
l’´equipe granulaire pour nous avoir permis d’utiliser quotidiennement leur ”coin caf´e”et `a Laurent
Quartier qui a cohabit´e avec nous dans notre ”Loxam”. Merci Laurent pour ta bonne humeur, tes
d´epannages en tous genres et le prˆet de tes Miyazaki!
Ma th`ese a b´en´efici´e d’un financement de Bourse de Docteur Ing´enieur cofinanc´e par Essilor et
le CNRS. Cette interaction avec l’industrie fuˆt tr`es int´eressante et enrichissante. Je tiens a` remer-
cier tout sp´ecialement Claudine Biver, Mamonji Cadet, Christelle de Franco, Dominique Jeannin,
Pascale Lacan et Laurianne Vagharchakian du centre de recherche Essilor International de Saint-
Maur-des-Foss´es pour le temps qu’ils m’ont consacr´e et les discussions fructueuses que nous avons
eues ensemble.
Math`esea´et´erenduepossiblegraˆce`adeuxcollaborationsquim’ontpermisdefabriquerconcr`ete-
ment mes surfaces microtextur´ees : il s’agit de l’´equipe microfluidique du Laboratoire de Photonique
et Nanostructures (LPN) situ´e `a Marcoussis et du Service des Moyens en Micro´electronique de
l’ESIEE, situ´e `a Noisy-le-Grand. Merci `a Yong Chen et Anne P´epin de m’avoir accueillie dans leur
´equipe et de m’avoir ouvert la porte de la salle blanche du LPN! Un grand merci `a Anne P´epin qui
a pass´e beaucoup de temps `a me confectionner des masques optiques au masqueur ´electronique, Do-
minique D´ecanini qui m’a appris `a d´ecouvrir le monde fabuleux des images MEB, Nathalie Bontoux
pour les discussions que nous avons eues lors de nombreux covoiturage entre Paris et Marcoussis,
Jean-Christophe Galas pour m’avoir si souvent prˆet´e son ordinateur, Nathalie Bardoux et Chris-
tophe Dupuis pour leurs conseils en photolithographie sans oublier Fabrice Pardo qui m’a aid´e `a
programmer des arrangements particuliers de plots, dont les surfaces `a gradients de densit´e et les
arrangements al´eatoires.
Coˆt´e ESIEE, je voudrais remercier tout sp´ecialement Tarik Bouriouna et Fr´ed´eric Marty pour leur
accueil et la disponibilit´e qu’ils m’ont accord´ee.
Sans ces deux collaborations, je n’aurais pu r´ealiser de telles surfaces et mon travail de th`ese aurait
´et´e tout diff´erent. Merci!
Enfin, j’ai eu l’occasion de travailler avec d’autres chercheurs. Merci `a : Ko Okumura, Chieko
Ishino, Matthieu L´eocmach (et Hidenori Hasimoto) qui m’ont accueillie au Japon et avec lesquels
nous avons ´elucid´e quelques myst`eres de l’impr´egnation `a deux dimensions, Jean-Fran¸cois Joanny
pour l’´echange que nous avons eu sur l’hyst´er´esis de l’angle de contact, Xavier Noblin, alors post-
doc `a Harvard, avec lequel j’ai essay´e (en vain!) d’´etudier la condensation de vapeur d’eau sur les
surfaces graˆce `a un MEB environmental, Lei Xu pour les ´echanges de mails sur les impacts aniso-
tropes, Isabelle G´enois qui m’a gentiment d´epann´ee au MEB `a l’ESPCI, Denis Bartolo et S´ebastien
Moulinet pour l’interaction que nous avons eue et qui a men´e `a deux publications conjointes, E´lise
Bourdin pour la patience et l’habilet´e avec lesquels elle a su maˆıtriser les impacts cristallographiques.
Il me reste `a remercier ma famille qui a su m’encourager et me suivre dans cette aventure de
la th`ese. Merci E´tienne pour tout ce que nous partageons ensemble et Jeanne pour avoir attendu
patiemment que ma th`ese soit finie pour pointer le bout de ton nez!

Table des mati`eres
Introduction 11
1 Superhydrophobie 15
1.1 Quelques rappels sur les ph´enom`enes capillaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.1 Young et Laplace : 1805 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.2 Un saut de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.3 Substrats mouill´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.4 Un angle pas si bien d´efini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.5 Des gouttes qui collent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 Mouillage des surfaces textur´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.1 Du lotus au gerris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.2 Deux ´etats possibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.3 Le mod`ele de Wenzel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.4 Le mod`ele de Cassie-Baxter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.5 D’un ´etat `a l’autre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3 Des substrats synth´etiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.1 Imiter la nature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.2 Des surfaces mod`eles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 Microfabrication 33
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Photolithographie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.1 Masque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.2 R´eplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 D´epˆot m´etallique et ´elimination de la r´esine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4 Gravure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.1 Diff´erents types de gravure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Gravure profonde DRIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
7
2.5 Des plots parfaitement bien align´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.6 Autres types de plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6.1 Plots `a base pyramidale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6.2 Obtention de r´epliques polym`eres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3 Caract´erisation des surfaces 47
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 Angles de contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.1 Premi`eres mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.2 Caract´erisation de l’hyst´er´esis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.3 Coexistence des deux ´etats superhydrophobes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.4 R´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3 Autres mesures : du contact `a l’angle de contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3.1 Angle de recul´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3.2 Angle d’avanc´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4 Sous presse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4.1 Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4.2 Empalement dans des forˆets de micropiliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4.3 Fakir robuste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 E´vaporation de gouttelettes 67
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2 Observations exp´erimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.1 Empalement des petites gouttes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.2 Une transition tr`es brusque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.3 Une trace, t´emoin de la transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2.4 Discontinuit´e des aires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3 M´ecanismes possibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.1 Gravit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.2 Condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.3 Surpression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.4 Nucl´eation par la courbure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4 Cons´equences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4.1 E´viter l’empalement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4.2 Provoquer l’empalement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5 Impacts de gouttelettes 83
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2 Empalement dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2.1 Montage exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.2 Vue de profil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.2.3 Vue a´erienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.2.4 Vitesse seuil d’empalement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.2.5 Taille de la zone impr´egn´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3 Impacts violents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.3.1 Fragmentation p´eriph´erique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.3.2 Rˆole de la microtexture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4 Impacts ”cristallographiques” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4.1 Premi`eres observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4.2 Variation de la morphologie avec la vitesse d’impact . . . . . . . . . . . . . . 106
5.4.3 Influence de la taille de la goutte sur le niveau des seuils . . . . . . . . . . . . 109
5.4.4 Influence de la microtexture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.4.5 Influence de la mouillabilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.6 Un d´ebut d’explication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.7 Autres exp´eriences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6 Surfaces `a gradient de plots 121
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.2 R´ealisation des surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.2.1 Programmation d’un gradient d’intensit´e α . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.2.2 R´ealisation des gradients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.2.3 E´valuation du gradient n´ecessaire `a un mouvement spontan´e . . . . . . . . . 124
6.3 Mouvements asssit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.1 Montage exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.2 Mouvement des gouttes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.3 Influence de la fr´equence d’oscillation du substrat . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3.4 Influence de l’intensit´e du gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.3.5 Gouttes oscill´ees horizontalement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4 Mesure de l’hyst´er´esis de l’angle de contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134